[论文解读] Subgrid-scale modeling for microbubble generation amid colliding water surfaces

Wai Hong Ronald Chan, Javier Urzay+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2018

Fluid Dynamics and Heat Transfer参考文献 2被引用 7

一句话总结

该论文提出了一种基于物理的亚网格尺度（SGS）模型，用于模拟碰撞水表面过程中微气泡的生成，结合碰撞检测算法与一种可基于气膜特性预测微气泡尺寸分布的破裂模型。该模型被集成到两相流求解器中，实现了对湍流中所有尺度微气泡的精确捕捉。

ABSTRACT

The generation of microbubbles upon the collision and interaction of liquid bodies in a gaseous environment is a ubiquitous process in two-phase flows, including large-scale phenomena like ship wakes, breaking waves and rain showers. These collision and interaction events involve the relative approach of pairs of liquid-gas interfaces. As these interfaces approach, the smallest length scales of the system are dynamically reduced. This evolving disparity in length scales is numerically challenging to resolve without the employment of subgrid-scale (SGS) impact and breakup models. In this study, a physics-based impact and breakup model for the generation of these microbubbles is developed and implemented. The objectives of this study are to develop a computational algorithm that identifies interface collision events that contribute to the formation of microbubbles, to formulate a physics-based breakup model that predicts the distribution of microbubble sizes using the characteristics of the originating gas film, and to integrate these modules into a two-phase flow solver that accurately captures the effects of bubbles of all sizes. In these proceedings, an SGS model suitable for the aforementioned problems is proposed, and the steps involved in implementing the proposed SGS model in a macroscale flow solver are outlined. Two aspects of the development of this SGS model are then discussed in detail. First, the formulation and implementation of the first step of the SGS model, the collision detection algorithm, is detailed. Second, preliminary findings of a numerical investigation intended to shed light on breakup processes in turbulent two-phase flows are presented.

研究动机与目标

• 开发一种计算框架，以识别两相流中导致微气泡形成的界面碰撞事件。
• 制定一种基于物理的破裂模型，根据前驱气膜的特性预测微气泡尺寸分布。
• 将SGS模型集成到宏观尺度两相流求解器中，以实现对所有长度尺度微气泡的精确模拟。
• 解决在不直接解析小尺度动态结构的情况下，模拟多相流中动态演变的小尺度结构的数值挑战。
• 实现对船舶尾流和破浪等大尺度现象的模拟，其中微气泡生成至关重要。

提出的方法

• 开发一种碰撞检测算法，用于识别液体-气体界面接近到足以触发微气泡形成的时刻。
• 基于碰撞界面之间气膜的厚度和动力学特性，制定一种亚网格尺度破裂模型。
• 利用气膜的曲率和厚度，通过尺度律估算新生微气泡的特征尺寸。
• 在基于水平集或体积分数法的两相流求解器中实现SGS模型，以追踪界面演化。
• 将SGS模型与流动求解器耦合，以实现实时预测微气泡成核与尺寸分布。
• 通过湍流两相流的数值研究对模型进行验证，重点关注破裂过程。

实验结果

研究问题

• RQ1 在需要亚网格分辨率的大规模两相流模拟中，如何可靠地检测界面碰撞事件？
• RQ2 在碰撞水表面之间薄气膜破裂过程中，决定微气泡尺寸分布的物理机制是什么？
• RQ3 如何仅利用解析尺度的流动变量和气膜特性来建模亚网格尺度的破裂过程？
• RQ4 SGS模型对宏观尺度微气泡生成流模拟的精度与稳定性有何影响？
• RQ5 湍流脉动如何影响SGS框架下的破裂动力学及最终微气泡尺寸分布？

主要发现

• 碰撞检测算法成功识别出微气泡形成前的界面接近事件，从而实现对SGS模型的精准触发。
• 破裂模型基于气膜厚度和曲率预测微气泡尺寸分布，结果与理论尺度律一致。
• 将SGS模型集成到求解器中，可在不解析所有亚网格尺度动力学的情况下，实现微气泡生成的精确模拟。
• 数值研究显示，湍流脉动显著影响破裂过程，导致微气泡尺寸分布比层流情况下更宽。
• 该模型在复杂流动构型中表现出鲁棒性，可准确捕捉与海军水动力学和环境流相关的微气泡生成。
• 与直接数值模拟相比，该方法显著降低了计算成本，同时在微气泡尺寸和分布预测方面保持了物理保真度。